62
Th´ eorie de la fonctionnnelle de la densit´ e avec s´ eparation de port´ ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse 1 Iann Gerber 2 , Georg Jansen 3 , Andreas Savin 1 , J´ anos ´ Angy´ an 4 1 Laboratoire de Chimie Th´ eorique, UPMC Univ Paris 06 et CNRS, Paris, France 2 Universit´ e de Toulouse, INSA-UPS, LPCNO, Toulouse, France 3 Fachbereich Chemie, Universit¨ at Duisburg-Essen, Essen, Germany 4 CRM2, Institut Jean Barriol, Universit´ e de Nancy et CNRS, Vandoeuvre-l` es-Nancy, France Email : [email protected] Page web : www.lct.jussieu.fr/pagesperso/toulouse/ novembre 2008

Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

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Page 1: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Theorie de la fonctionnnelle de la densite

avec separation de porteepour les forces de van der Waals

Julien Toulouse1

Iann Gerber2, Georg Jansen3, Andreas Savin1, Janos Angyan4

1 Laboratoire de Chimie Theorique, UPMC Univ Paris 06 et CNRS, Paris, France

2 Universite de Toulouse, INSA-UPS, LPCNO, Toulouse, France3 Fachbereich Chemie, Universitat Duisburg-Essen, Essen, Germany

4 CRM2, Institut Jean Barriol, Universite de Nancy et CNRS, Vandoeuvre-les-Nancy,

France

Email : [email protected]

Page web : www.lct.jussieu.fr/pagesperso/toulouse/

novembre 2008

Page 2: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

1 Kohn-Sham DFT and ACFDT approaches

2 Range-separated multideterminant DFT

3 Short-range density functionals

4 Range-separated ACFDT method

5 Some results

Page 3: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

1 Kohn-Sham DFT and ACFDT approaches

2 Range-separated multideterminant DFT

3 Short-range density functionals

4 Range-separated ACFDT method

5 Some results

Page 4: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Kohn-Sham DFT

Kohn-Sham (KS) scheme

E = minΦ

{

〈Φ|T + Vne |Φ〉 + EH[nΦ] + Exc [nΦ]}

Φ : single-determinant wave function

Page 5: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Kohn-Sham DFT

Kohn-Sham (KS) scheme

E = minΦ

{

〈Φ|T + Vne |Φ〉 + EH[nΦ] + Exc [nΦ]}

Φ : single-determinant wave function

One problem (among others):Usual approximations for exchange-correlation functional Exc [n](LDA, GGA, ...) do not describe well (long-range) van derWaals dispersion forces

Page 6: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Example: interaction energy curve of Ne2

LDA and PBE functionals, aug-cc-pV5Z basis:

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

5 6 7 8 9 10

Inte

ract

ion

en

ergy (

mH

art

ree)

Interatomic distance (Bohr)

AccurateLDAPBE

Ne2

Page 7: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

ACFDT approach to DFT

Starting from the adiabatic connection formula for correlation energy:

Ec =

∫ 1

0

dλ{

〈Ψλ|Wee |Ψλ〉 − 〈ΦKS|Wee |ΦKS〉}

Page 8: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

ACFDT approach to DFT

Starting from the adiabatic connection formula for correlation energy:

Ec =

∫ 1

0

dλ{

〈Ψλ|Wee |Ψλ〉 − 〈ΦKS|Wee |ΦKS〉}

or, with a compact notation,

Ec =1

2

∫ 1

0

dλ Tr [wee ∗ Pc,λ]

Page 9: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

ACFDT approach to DFT

Starting from the adiabatic connection formula for correlation energy:

Ec =

∫ 1

0

dλ{

〈Ψλ|Wee |Ψλ〉 − 〈ΦKS|Wee |ΦKS〉}

or, with a compact notation,

Ec =1

2

∫ 1

0

dλ Tr [wee ∗ Pc,λ]

and using the fluctuation-dissipation theorem

Pc,λ = −1

π

0

dω [χλ(iω) − χKS(iω)]

Page 10: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

ACFDT approach to DFT

Starting from the adiabatic connection formula for correlation energy:

Ec =

∫ 1

0

dλ{

〈Ψλ|Wee |Ψλ〉 − 〈ΦKS|Wee |ΦKS〉}

or, with a compact notation,

Ec =1

2

∫ 1

0

dλ Tr [wee ∗ Pc,λ]

and using the fluctuation-dissipation theorem

Pc,λ = −1

π

0

dω [χλ(iω) − χKS(iω)]

leads to

Ec = −1

∫ 1

0

0

dω Tr [wee ∗ (χλ(iω) − χKS(iω))]

Page 11: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

ACFDT approach to DFT

Starting from the adiabatic connection formula for correlation energy:

Ec =

∫ 1

0

dλ{

〈Ψλ|Wee |Ψλ〉 − 〈ΦKS|Wee |ΦKS〉}

or, with a compact notation,

Ec =1

2

∫ 1

0

dλ Tr [wee ∗ Pc,λ]

and using the fluctuation-dissipation theorem

Pc,λ = −1

π

0

dω [χλ(iω) − χKS(iω)]

leads to

Ec = −1

∫ 1

0

0

dω Tr [wee ∗ (χλ(iω) − χKS(iω))]

where the response function χλ(iω) is given by

χλ(iω)−1 = χKS(iω)−1 − fHxc,λ(iω)

Page 12: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Random Phase Approximation (RPA)

RPA approximation: fxc,λ = 0

Page 13: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Random Phase Approximation (RPA)

RPA approximation: fxc,λ = 0

So, total energy is E = 〈ΦKS|T + Vne |ΦKS〉 + EH + Ex ,exact + Ec,RPA

Page 14: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Random Phase Approximation (RPA)

RPA approximation: fxc,λ = 0

So, total energy is E = 〈ΦKS|T + Vne |ΦKS〉 + EH + Ex ,exact + Ec,RPA

=⇒ increasing interest in the DFT community:Perdew, Dobson, Furche, Gonze, Kresse, Scuseria, ...

Page 15: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Random Phase Approximation (RPA)

RPA approximation: fxc,λ = 0

So, total energy is E = 〈ΦKS|T + Vne |ΦKS〉 + EH + Ex ,exact + Ec,RPA

=⇒ increasing interest in the DFT community:Perdew, Dobson, Furche, Gonze, Kresse, Scuseria, ...

Encouraging results:

consistent with exact exchange

correct dispersion forces at (very) large separation

good cohesive energies and lattice constants of solids

some improvement in description of bond dissociation

Page 16: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Random Phase Approximation (RPA)

RPA approximation: fxc,λ = 0

So, total energy is E = 〈ΦKS|T + Vne |ΦKS〉 + EH + Ex ,exact + Ec,RPA

=⇒ increasing interest in the DFT community:Perdew, Dobson, Furche, Gonze, Kresse, Scuseria, ...

Encouraging results:

consistent with exact exchange

correct dispersion forces at (very) large separation

good cohesive energies and lattice constants of solids

some improvement in description of bond dissociation

But several unsatisfactory aspects:

correlation energies far too negative

strong dependence on basis size

bump at intermediate distances in some dissociation curves

dependence on input orbitals

embarrassing results for simple van der Waals dimers!

Page 17: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Example: interaction energy curve of Ne2

RPA (with PBE orbitals), aug-cc-pV5Z basis:

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

5 6 7 8 9 10

Inte

ract

ion

en

ergy (

mH

art

ree)

Interatomic distance (Bohr)

AccurateRPA

Ne2

Page 18: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Example: interaction energy curve of Be2

RPA (with PBE orbitals), cc-pV5Z basis:

-4

-2

0

2

4

4 5 6 7 8 9 10 11

Inte

ract

ion

en

ergy (

mH

art

ree)

Interatomic distance (Bohr)

AccurateRPA

Be2

Page 19: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

1 Kohn-Sham DFT and ACFDT approaches

2 Range-separated multideterminant DFT

3 Short-range density functionals

4 Range-separated ACFDT method

5 Some results

Page 20: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Range-separated multideterminant DFT

Multideterminant extension of KS scheme with range separation

Ground-state energy:

E = minΨ

{

〈Ψ|T + Vne + W lree |Ψ〉 + E sr

Hxc [nΨ]}

Page 21: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Range-separated multideterminant DFT

Multideterminant extension of KS scheme with range separation

Ground-state energy:

E = minΨ

{

〈Ψ|T + Vne + W lree |Ψ〉 + E sr

Hxc [nΨ]}

W lree =

i<j

erf(µrij)

rij: long-range electron-electron interaction

Page 22: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Range-separated multideterminant DFT

Multideterminant extension of KS scheme with range separation

Ground-state energy:

E = minΨ

{

〈Ψ|T + Vne + W lree |Ψ〉 + E sr

Hxc [nΨ]}

W lree =

i<j

erf(µrij)

rij: long-range electron-electron interaction

E srHxc [n] : short-range Hxc density functional

Page 23: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Range-separated multideterminant DFT

Multideterminant extension of KS scheme with range separation

Ground-state energy:

E = minΨ

{

〈Ψ|T + Vne + W lree |Ψ〉 + E sr

Hxc [nΨ]}

W lree =

i<j

erf(µrij)

rij: long-range electron-electron interaction

E srHxc [n] : short-range Hxc density functional

minimizing wave function Ψlr

=∑∑∑

i ciΦi is multi-determinant

Page 24: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Range-separated multideterminant DFT

Multideterminant extension of KS scheme with range separation

Ground-state energy:

E = minΨ

{

〈Ψ|T + Vne + W lree |Ψ〉 + E sr

Hxc [nΨ]}

W lree =

i<j

erf(µrij)

rij: long-range electron-electron interaction

E srHxc [n] : short-range Hxc density functional

minimizing wave function Ψlr

=∑∑∑

i ciΦi is multi-determinant

parameter µ controls the range of separation.Limiting cases:µ = 0 =⇒ KS DFTµ → ∞ =⇒ Standard wave function methods

Page 25: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Range-separated multideterminant DFT

Multideterminant extension of KS scheme with range separation

Ground-state energy:

E = minΨ

{

〈Ψ|T + Vne + W lree |Ψ〉 + E sr

Hxc [nΨ]}

W lree =

i<j

erf(µrij)

rij: long-range electron-electron interaction

E srHxc [n] : short-range Hxc density functional

minimizing wave function Ψlr

=∑∑∑

i ciΦi is multi-determinant

parameter µ controls the range of separation.Limiting cases:µ = 0 =⇒ KS DFTµ → ∞ =⇒ Standard wave function methods

In principle: exact

Page 26: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Range-separated multideterminant DFT

Multideterminant extension of KS scheme with range separation

Ground-state energy:

E = minΨ

{

〈Ψ|T + Vne + W lree |Ψ〉 + E sr

Hxc [nΨ]}

W lree =

i<j

erf(µrij)

rij: long-range electron-electron interaction

E srHxc [n] : short-range Hxc density functional

minimizing wave function Ψlr

=∑∑∑

i ciΦi is multi-determinant

parameter µ controls the range of separation.Limiting cases:µ = 0 =⇒ KS DFTµ → ∞ =⇒ Standard wave function methods

In principle: exact

In practice: approximations are necessary for Ψlr and E sr

xc [n]

Page 27: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Range-separated multideterminant DFT: approximations

Approximations for E srxc [n]

short-range LDA

short-range GEA

short-range GGA

...

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Range-separated multideterminant DFT: approximations

Approximations for E srxc [n]

short-range LDA

short-range GEA

short-range GGA

...

Approximations for Ψlr

single-determinant =⇒ HF+DFT method (or RSH method)

MCSCF =⇒ MCSCF+DFT method (for near-degeneracy)

CI =⇒ CI+DFT method

CC =⇒ CC+DFT method

MP2 =⇒ RSH+MP2 method (for van der Waals)

RPA or TDHF =⇒ RSH+TDHF method (for van der Waals)

...

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1 Kohn-Sham DFT and ACFDT approaches

2 Range-separated multideterminant DFT

3 Short-range density functionals

4 Range-separated ACFDT method

5 Some results

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Short-range exchange energy: LDA

Esr,µx ,LDA[n] =

n(r) εsr,µx ,unif(n(r))dr

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Short-range exchange energy: LDA

Esr,µx ,LDA[n] =

n(r) εsr,µx ,unif(n(r))dr

For Be atom:

0 2 4 6 8Μ Ha.u.L

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

Exsr,Μ

Ha.u.L

exactLDA

LDA accuratefor a short-range interaction

Page 32: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Short-range exchange energy: LDA

Esr,µx ,LDA[n] =

n(r) εsr,µx ,unif(n(r))dr

For Be atom:

0 2 4 6 8Μ Ha.u.L

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

Exsr,Μ

Ha.u.L

exactLDA

LDA accuratefor a short-range interaction

Asymptotic expansion for µ → ∞ :

E sr,µx = −

A1

µ2

n(r)2dr +A2

µ4

n(r)

(

|∇n(r)|2

2n(r)+ 4τ(r)

)

dr + · · ·

Page 33: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Short-range correlation energy: LDA

Esr,µc,LDA[n] =

n(r) εsr,µc,unif(n(r))dr

Page 34: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Short-range correlation energy: LDA

Esr,µc,LDA[n] =

n(r) εsr,µc,unif(n(r))dr

For Be atom:

0 2 4 6 8Μ Ha.u.L

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

Ecsr,Μ

Ha.u.L

exactLDA

LDA accuratefor a short-range interaction

Page 35: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Short-range correlation energy: LDA

Esr,µc,LDA[n] =

n(r) εsr,µc,unif(n(r))dr

For Be atom:

0 2 4 6 8Μ Ha.u.L

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

Ecsr,Μ

Ha.u.L

exactLDA

LDA accuratefor a short-range interaction

Asymptotic expansion for µ → ∞ :

E sr,µc =

B1

µ2

n2,c(r, r)dr +B2

µ3

n2(r, r)dr + · · ·

Page 36: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Short-range exchange energy: GGA

Short-range GGA functional of Heyd, Scuseria and Ernzerhof(2003) based on the PBE exchange hole:

εsr,µx ,GGA(n) =

1

2

nx ,PBE(n, |∇n|, r12)w sr,µee (r12)dr12

For Be atom:

0 1 2 3 4 5 6Μ Ha.u.L

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

Exsr,Μ

Ha.u.L

exactLDAGGA

=⇒ GGA describes well a longer range of interaction

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Short-range correlation energy: GGA

Interpolation between PBE at µ = 0 and expansion of LDA for µ → ∞:

εsr,µc,GGA(n, |∇n|) =

εc,PBE(n, |∇n|)

1 + d1(n)µ + d2(n)µ2

For Be atom:

0 1 2 3 4 5 6Μ Ha.u.L

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

Ecsr,Μ

Ha.u.LexactLDAGGA

=⇒ GGA describes well a longer range of interaction

Page 38: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

1 Kohn-Sham DFT and ACFDT approaches

2 Range-separated multideterminant DFT

3 Short-range density functionals

4 Range-separated ACFDT method

5 Some results

Page 39: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Range-separated hybrid (RSH) scheme

Restriction to single-determinant wave functions Φ:

ERSH = minΦ

{

〈Φ|T + Vne + W lree |Φ〉 + E sr

Hxc [nΦ]}

Page 40: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Range-separated hybrid (RSH) scheme

Restriction to single-determinant wave functions Φ:

ERSH = minΦ

{

〈Φ|T + Vne + W lree |Φ〉 + E sr

Hxc [nΦ]}

The minimizing RSH determinant ΦRSH is given by

(

T + Vne + V lrHx ,HF + V sr

Hxc

)

|ΦRSH〉 = E0|ΦRSH〉,

Page 41: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Range-separated hybrid (RSH) scheme

Restriction to single-determinant wave functions Φ:

ERSH = minΦ

{

〈Φ|T + Vne + W lree |Φ〉 + E sr

Hxc [nΦ]}

The minimizing RSH determinant ΦRSH is given by

(

T + Vne + V lrHx ,HF + V sr

Hxc

)

|ΦRSH〉 = E0|ΦRSH〉,

So the RSH energy is

ERSH = 〈ΦRSH|T+Vne |ΦRSH〉+EH[nΦRSH]+E lr

x ,HF[ΦRSH]+E srxc [nΦRSH

]

Page 42: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Adiabatic connection starting from RSH

Exact energy = RSH energy + long-range correlation energy

E = ERSH + E lrc

Page 43: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Adiabatic connection starting from RSH

Exact energy = RSH energy + long-range correlation energy

E = ERSH + E lrc

Let’s define the following adiabatic connection

Eλ = minΨ

{

〈Ψ|T + Vne + V lrHx ,HF + λW lr|Ψ〉 + E sr

Hxc [nΨ]}

with the long-range perturbation operator

W lr = W lree − V lr

Hx ,HF

Page 44: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Adiabatic connection starting from RSH

Exact energy = RSH energy + long-range correlation energy

E = ERSH + E lrc

Let’s define the following adiabatic connection

Eλ = minΨ

{

〈Ψ|T + Vne + V lrHx ,HF + λW lr|Ψ〉 + E sr

Hxc [nΨ]}

with the long-range perturbation operator

W lr = W lree − V lr

Hx ,HF

minimizing wave function Ψlrλ is multideterminant

Page 45: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Adiabatic connection starting from RSH

Exact energy = RSH energy + long-range correlation energy

E = ERSH + E lrc

Let’s define the following adiabatic connection

Eλ = minΨ

{

〈Ψ|T + Vne + V lrHx ,HF + λW lr|Ψ〉 + E sr

Hxc [nΨ]}

with the long-range perturbation operator

W lr = W lree − V lr

Hx ,HF

minimizing wave function Ψlrλ is multideterminant

Limits:For λ = 0: Ψ

lrλ=0 = ΦRSH

For λ = 1: Ψlrλ=1 = Ψ

lr and Eλ=1 = E

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Adiabatic connection starting from RSH

Exact energy = RSH energy + long-range correlation energy

E = ERSH + E lrc

Let’s define the following adiabatic connection

Eλ = minΨ

{

〈Ψ|T + Vne + V lrHx ,HF + λW lr|Ψ〉 + E sr

Hxc [nΨ]}

with the long-range perturbation operator

W lr = W lree − V lr

Hx ,HF

minimizing wave function Ψlrλ is multideterminant

Limits:For λ = 0: Ψ

lrλ=0 = ΦRSH

For λ = 1: Ψlrλ=1 = Ψ

lr and Eλ=1 = E

the density is NOT constant on the adiabatic connection

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Long-range correlation energy Elrc

We have the following adiabatic connection formula:

E lrc =

∫ 1

0

dλ{

〈Ψlrλ|W

lr|Ψlrλ〉 − 〈ΦRSH|W

lr|ΦRSH〉}

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Long-range correlation energy Elrc

We have the following adiabatic connection formula:

E lrc =

∫ 1

0

dλ{

〈Ψlrλ|W

lr|Ψlrλ〉 − 〈ΦRSH|W

lr|ΦRSH〉}

=1

2

∫ 1

0

dλ Tr[

w lr ∗ P lrc,λ

]

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Long-range correlation energy Elrc

We have the following adiabatic connection formula:

E lrc =

∫ 1

0

dλ{

〈Ψlrλ|W

lr|Ψlrλ〉 − 〈ΦRSH|W

lr|ΦRSH〉}

=1

2

∫ 1

0

dλ Tr[

w lr ∗ P lrc,λ

]

and using the fluctuation-dissipation theorem

P lrc,λ = −

1

π

0

dω[

χlrλ(iω) − χRSH(iω)

]

+ ∆lrλ

where ∆lrλ comes from the variation of the density. So

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Long-range correlation energy Elrc

We have the following adiabatic connection formula:

E lrc =

∫ 1

0

dλ{

〈Ψlrλ|W

lr|Ψlrλ〉 − 〈ΦRSH|W

lr|ΦRSH〉}

=1

2

∫ 1

0

dλ Tr[

w lr ∗ P lrc,λ

]

and using the fluctuation-dissipation theorem

P lrc,λ = −

1

π

0

dω[

χlrλ(iω) − χRSH(iω)

]

+ ∆lrλ

where ∆lrλ comes from the variation of the density. So

E lrc = −

1

∫ 1

0

0

dω Tr[

w lr ∗(

χlrλ(iω) − χRSH(iω)

)]

+1

2

∫ 1

0

dλ Tr[

w lr ∗ ∆lrλ

]

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Long-range correlation energy Elrc

We have the following adiabatic connection formula:

E lrc =

∫ 1

0

dλ{

〈Ψlrλ|W

lr|Ψlrλ〉 − 〈ΦRSH|W

lr|ΦRSH〉}

=1

2

∫ 1

0

dλ Tr[

w lr ∗ P lrc,λ

]

and using the fluctuation-dissipation theorem

P lrc,λ = −

1

π

0

dω[

χlrλ(iω) − χRSH(iω)

]

+ ∆lrλ

where ∆lrλ comes from the variation of the density. So

E lrc = −

1

∫ 1

0

0

dω Tr[

w lr ∗(

χlrλ(iω) − χRSH(iω)

)]

+1

2

∫ 1

0

dλ Tr[

w lr ∗ ∆lrλ

]

The long-range response function χlrλ(iω) is given by

χlrλ(iω)−1 = χlr

IP,λ(iω)−1 − f lrHxc,λ(iω)

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Approximations for Elrc

Several approximations possible for E lrc :

TDHF approximation: f lrc,λ = 0 =⇒ RSH+TDHF method

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Approximations for Elrc

Several approximations possible for E lrc :

TDHF approximation: f lrc,λ = 0 =⇒ RSH+TDHF method

MP2 approximation (2nd order in w lree) =⇒ RSH+MP2 method

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Approximations for Elrc

Several approximations possible for E lrc :

TDHF approximation: f lrc,λ = 0 =⇒ RSH+TDHF method

MP2 approximation (2nd order in w lree) =⇒ RSH+MP2 method

Comparison:

RSH+TDHF is an extension of RSH+MP2

RSH+TDHF is expected to supersede RSH+MP2 for systemswith small HOMO-LUMO gap

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Implementation of long-range TDHF

Orbital rotation Hessians:

(Aλ − Bλ)iajb = (ǫa − ǫi )δijδab + λ(

〈ij |w lree |ba〉 − 〈ia|w lr

ee |jb〉)

and

(Aλ + Bλ)iajb = (ǫa − ǫi )δijδab + 2λ〈ij |w lree |ab〉

− λ(

〈ij |w lree |ba〉 + 〈ia|w lr

ee |jb〉)

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Implementation of long-range TDHF

Orbital rotation Hessians:

(Aλ − Bλ)iajb = (ǫa − ǫi )δijδab + λ(

〈ij |w lree |ba〉 − 〈ia|w lr

ee |jb〉)

and

(Aλ + Bλ)iajb = (ǫa − ǫi )δijδab + 2λ〈ij |w lree |ab〉

− λ(

〈ij |w lree |ba〉 + 〈ia|w lr

ee |jb〉)

Long-range TDHF second-order density matrix

P lrc,TDHF,λ = (Aλ − Bλ)1/2Mλ

−1/2(Aλ − Bλ)1/2 − 1

where Mλ = (Aλ − Bλ)1/2(Aλ + Bλ)(Aλ − Bλ)1/2

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Implementation of long-range TDHF

Orbital rotation Hessians:

(Aλ − Bλ)iajb = (ǫa − ǫi )δijδab + λ(

〈ij |w lree |ba〉 − 〈ia|w lr

ee |jb〉)

and

(Aλ + Bλ)iajb = (ǫa − ǫi )δijδab + 2λ〈ij |w lree |ab〉

− λ(

〈ij |w lree |ba〉 + 〈ia|w lr

ee |jb〉)

Long-range TDHF second-order density matrix

P lrc,TDHF,λ = (Aλ − Bλ)1/2Mλ

−1/2(Aλ − Bλ)1/2 − 1

where Mλ = (Aλ − Bλ)1/2(Aλ + Bλ)(Aλ − Bλ)1/2

The TDHF long-range correlation energy is finally

E lrc,TDHF =

1

2

∫ 1

0

dλ∑

iajb

〈ij |w lree |ab〉

(

P lrc,TDHF,λ

)

iajb

Page 58: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

1 Kohn-Sham DFT and ACFDT approaches

2 Range-separated multideterminant DFT

3 Short-range density functionals

4 Range-separated ACFDT method

5 Some results

Page 59: Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s ... · Th´eorie de la fonctionnnelle de la densit´e avec s´eparation de port´ee pour les forces de van der Waals Julien Toulouse1

Dependence on basis size: Ne2

Total energy (aug-cc-pVnZ basis, µ = 0.5, sr-PBE functional):

-258.2

-258.1

-258

-257.9

-257.8

-257.7

-257.6

-257.5

3 4 5 6

Tota

l en

ergy (

Hart

ree)

Size of one-particle basis (n in aug-cc-pVnZ)

ExactTDHF

RPARSH+TDHF

Ne2

=⇒ RSH+TDHF has a small basis dependence

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Interaction energy curve of Ne2

Interaction energy (aug-cc-pV5Z basis, µ = 0.5, sr-PBE functional):

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

5 6 7 8 9 10

Inte

ract

ion

en

ergy (

mH

art

ree)

Interatomic distance (Bohr)

AccurateTDHF

RPARSH+TDHF

Ne2

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Interaction energy curve of Be2

Interaction energy (cc-pV5Z basis, µ = 0.5, sr-PBE functional):

-4

-2

0

2

4

4 5 6 7 8 9 10 11

Inte

ract

ion

en

ergy (

mH

art

ree)

Interatomic distance (Bohr)

AccurateTDHF

RPARSH+TDHF

Be2

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Conclusions and perspectives

Conclusions

RSH+TDHF method overcomes some problems of standardRPA

RSH+TDHF method seems well suited for van der Waalssystems

RSH+TDHF method has also problems (e.g., dissociation)

RSH+MP2 can be a cheaper alternative to RSH+TDHF

Perspectives

efficient implementation in quantum chemistry software

application to larger molecular systems (benzene dimer, ...)

application to solids

exploration of other variants of the method

Web page: www.lct.jussieu.fr/pagesperso/toulouse/